カルボキシメチルセルロース粉体の粘着強度に対する水分の影響

キーワード：CMC、リチウムイオンバッテリー、バインダー、水分、粉体レオロジー、粘着力、TGA

RH126-JA

要約

粉体の加工可能性は、粘着強度やフローファンクションなどの要因に依存します。粉体レオロジーを使用するとこういった特性が評価でき、ホッパー設計、流量選択、品質管理に役立ちます。カルボキシメチルセルロース粉体は、さまざまな用途で使用される吸湿材です。水分含量が粘着強度に及ぼす影響を、TA Instruments社製粉体レオロジーアクセサリーを使用して測定しています。水分含量が増加すると粘着強度も増加することがわかり、加工中の湿度管理の重要性を実証しています。

はじめに

粉末材料は、化粧品から食品まで幅広い産業で使用されており、その用途はバッテリー電極［1］や薬物錠剤までさまざまです。さまざまな製造工程には粉体が関与しており、粉体特性評価は効率的な運用を確実にし、品質管理を維持するために重要なステップです。粘着強度やフローファンクションなどの特性は、ホッパー設計、質量流、最終製品の品質に影響します。粉体レオロジーは、迅速で再現性のある粉体流特性の測定をもたらします［2］。

カルボキシメチルセルロース (CMC) は、一般に増粘剤、バインダー、または安定剤として使用されます。CMCは吸湿性であり、周囲条件でも水分を保持します。これによって流特性を変えたり、品質や製造工程に影響を与えることがあります。水分が存在すると、電極スラリーなどの最終製品におけるCMC濃度にも影響することがあります。製薬業界では、湿式造粒法や錠剤化に影響するため、CMCの感湿性を理解することが特に重要です。粉体せん断セル測定を使用して、粉体流動性に対する湿度や水分の影響が定量化されています［3］。

本研究では、TA Instruments社製粉体レオロジーせん断セルアクセサリーを使用して、CMC粉体に対する水分の影響を調査しています。このアクセサリーは、以前にラクトース粉体の流動性と粘着強度の調査に使用されています［4］。ここでは、これを使用して粘着力とフローファンクションを研究します。粉体の水分含量を決定するため、TA Instruments社製熱重量分析器 (TGA) も使用します。

 

実験

本研究には、Deiman社製の市販のCMCサンプルを取得しました。サンプル粉体を、周囲湿度、49%の相対湿度 (RH)、84% RHという3種類の異なる湿度室で平衡化しました。TA Instruments社製Discovery TGAを使用して、CMCサンプルの水分含量を測定しました。TGA測定は、サンプルをプラチナ製のパンに入れて窒素下でランプ速度10 °C/min、最大800 °Cで実施しました。

粉体レオロジーアクセサリーには、交換可能なせん断およびフローセルが含まれています。本研究におけるすべての測定は、Discovery HRレオメーターを使用して、周囲条件にて図1に示すせん断セルを使用して行いました。図2は、粉体サンプルを試験用に準備する手順を示しています。提供されているトリムスライドとじょうごを使用して、CMC粉体をせん断セルにロードしました。その後粉体は9 kPaの応力をかけて圧縮され、余分な粉末を除去して試験用に表面を平らにしました。

Figure 1. Discovery HR Rheometer with Powder Rheology Accessory shear cell
Figure 1. Discovery HR Rheometer with Powder Rheology Accessory shear cell
Figure 2. Procedure to prepare powder samples for shear testing [1]
Figure 2. Procedure to prepare powder samples for shear testing [1]

表1. 複数ステップの粉体せん断試験手順

ステップ 事前ずり応力 (kPa) 試験応力 (kPa)
1 9 7
2 9 6
3 9 5
4 9 4
5 9 3

試験は、ASTM D7891［5］に従って圧縮応力9 kPaで実施されました。表1は、使用した手順を詳述しています。各試験は、5つのステップで構成されています。各ステップの前に、サンプルは、測定されるずり応力が定常状態に到達するまで低速回転（角速度1*10-3 rad/sec）を使って9 kPaで事前せん断されます。その後、加えられている垂直応力がそのステップに対して表1に記載されている値まで減少されます。この値は7 kPa～3 kPaです。

TRIOSソフトウェアを使い、TA Instruments社製粉体せん断分析が粘着強度とフローファンクションを計算します。これらのパラメーターを使用すると、製造工程中の質量流量を予測し、管理できます。粘着力は降伏位置のy切片であり、フローファンクション (FF) は非拘束降伏強度に対する最大主応力の比です。

結果および考察

CMCサンプルの水分含量を図3に示します。

粉体せん断測定は、粘着強度と水分との間の強力な関係を示しています。CMC粉体の水分含量が増加すると、図4に示すように粘着強度も増加します。

表2にまとめられているように、フローファンクション (FF) は周囲湿度と84% RHサンプルの間で18.3から4.3に低下します。FFが高いということは、粉体が流れやすいことを意味し、これは製造工程に望まれる特性です。この結果は、効率と品質に影響する粉体流を制御するには、加工エリアでの湿度を管理することが重要であることを示します。

Table 2. Summary of powder shear measurements for CMC samples

CMC 水分含量 (%) 粘着強度 (kPa) フローファンクション (FF)
周囲 8.3 0.15 18.3
49% RH 15.1 0.58 9.5
84% RH 25.0 1.20 4.3
Figure 3. Moisture content of CMC samples as measured by TGA
Figure 3. Moisture content of CMC samples as measured by TGA
Figure 4. CMC powder shear test results on samples with differing moisture content
Figure 4. CMC powder shear test results on samples with differing moisture content

おわりに

CMC粉体は、TGAで測定する際、水分含量が異なるように調整されています。Discovery HR上での粉体レオロジー測定を使用し、CMC粉体の水分に対する感度を判定しました。粉体せん断測定により、水分含量の増加とともに粘着強度が増加することがわかりました。その結果、水分の多いサンプルではフローファンクションが低下し、これは粉体加工に影響を及ぼします。品質管理と効率的な運用を確実にするため、CMC粉体は湿度が管理された環境で加工する必要があります。

参考文献

  1. K. Dennis and S. Cotts, “Powder Rheology of Graphite: Characterization of Natural and Synthetic Graphite for Battery Anode Slurries,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
  2. R. Freeman, “Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders- A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell,” Powder Technology, vol. 17, pp. 25-33, 2007.
  3. D. Schulze, “Round robin test on ring shear testers,” Advanced Powder Technology, vol. 22, pp. 197-202, 2011.
  4. J. R. Vail and S. Cotts, “Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutrical excipients,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
  5. “ASTM D7891-15 Standard Test Method for Shear Testing of Powders Using the Freeman Technology FT4 Powder Rheometer Shear Cell,” ASTM International, 2016.

謝辞

本論文は、Jennifer Vail (PhD)、Kimberly Dennis (PhD)、Tianhong (Terri) Chen (PhD) が執筆しました。

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